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钙钛矿太阳能电池材料缺陷对器件性能与稳定性的影响
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作者 王静 高姗 +1 位作者 段香梅 尹万健 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2024年第6期16-33,共18页
基于钙钛矿太阳能电池材料独特的光电特性,特别是光电转换效率在初期短时间内的快速提升,使其成为当前光伏领域中最富吸引力的光吸收材料之一.然而,近年来转换效率的增长步入缓慢阶段,同时材料的长期稳定性也成为商业化应用的关键挑战,... 基于钙钛矿太阳能电池材料独特的光电特性,特别是光电转换效率在初期短时间内的快速提升,使其成为当前光伏领域中最富吸引力的光吸收材料之一.然而,近年来转换效率的增长步入缓慢阶段,同时材料的长期稳定性也成为商业化应用的关键挑战,这些问题背后的物理机制与材料缺陷密切相关.为进一步提高电池效率和结构稳定性,必须深刻理解和精准地掌握这些缺陷的特性.本文全面回顾了钙钛矿材料中各类缺陷对光伏性能和稳定性的影响,包括传统刚性模型缺陷、非常规性缺陷、复合型缺陷、离子迁移和缺陷对载流子寿命的影响,论述了缺陷与材料结构稳定性之间的紧密关联性,并对未来关于缺陷的研究方向进行了展望. 展开更多
关键词 钙钛矿太阳能电池 缺陷 非辐射复合 稳定性
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材料的非简谐性描述符
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作者 李环娅 周柯 尹万健 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2024年第5期289-296,共8页
非简谐效应是诸如软模相变、负热膨胀、多铁性和超低热导率等材料性质的根源.已有的关于量化材料非简谐性的方法没有给出清晰准确的非简谐性描述符,并且计算流程复杂,需要极其耗时的分子动力学模拟.故亟需提出一个可以快速计算的非简谐... 非简谐效应是诸如软模相变、负热膨胀、多铁性和超低热导率等材料性质的根源.已有的关于量化材料非简谐性的方法没有给出清晰准确的非简谐性描述符,并且计算流程复杂,需要极其耗时的分子动力学模拟.故亟需提出一个可以快速计算的非简谐性描述符,用来理解、评估、设计和筛选具有强非简谐性的功能材料.本研究将晶格非谐性分解为单声子非谐性σ_((q,j))^(A),并提出温度依赖的晶格非谐性的定量描述符A_(ph)(T).该描述符既可以定量描述从Si,GaAs,CdTe,NaCl到CsPbI_(3)的晶格非谐性的变化趋势,又可以成功预测非简谐效应驱动的体积模量和晶格热导率性质的变化.本工作提出的非简谐性描述符能够快速量化材料非简谐性,并且可直观地展现材料非简谐效应的声子模态分布.本方法计算简单、高效且有效,可为基于非简谐性筛选与设计材料打下基础. 展开更多
关键词 非简谐效应 声子非简谐 晶格热导率 第一性原理计算
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卤化钙钛矿太阳能电池材料理论研究进展 被引量:8
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作者 黄杨 孙庆德 +2 位作者 徐文 何垚 尹万健 《物理化学学报》 SCIE CAS CSCD 北大核心 2017年第9期1730-1751,共22页
卤化钙钛矿由于具有低成本、高效率等特点,最近作为非常有前景的太阳能电池吸收层材料被广泛研究。卤化钙钛矿型太阳能电池效率在短短的几年间由3.8%(2009年)迅速增加到22.1%(2016年)。卤化钙钛矿型太阳能电池的出现彻底改变了太阳能电... 卤化钙钛矿由于具有低成本、高效率等特点,最近作为非常有前景的太阳能电池吸收层材料被广泛研究。卤化钙钛矿型太阳能电池效率在短短的几年间由3.8%(2009年)迅速增加到22.1%(2016年)。卤化钙钛矿型太阳能电池的出现彻底改变了太阳能电池领域,不仅因为它们快速增长的效率,而且因为它们在材料生长和结构方面的可控性。卤化钙钛矿型太阳能电池的优越性能说明卤化钙钛矿材料具有独特的物理性质。在本综述中,我们总结了卤化钙钛矿材料最近几年在结构、电学、光学方面的理论研究成果,这些都与它们在太阳能电池方面的应用密切相关。我们也将探讨一些卤化钙钛矿型太阳能电池目前遇到的挑战以及可能的理论解决途径。 展开更多
关键词 卤化钙钛矿 太阳能电池 理论研究
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卤化钙钛矿太阳能电池的缺陷容忍及缺陷钝化研究进展 被引量:4
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作者 尹媛 郭振东 +2 位作者 陈高远 张慧峰 尹万健 《物理化学学报》 SCIE CAS CSCD 北大核心 2021年第4期44-53,共10页
缺陷在钙钛矿太阳能电池的快速发展中起着至关重要的作用。缺陷容忍性,即金属卤化钙钛矿的主导缺陷是浅能级缺陷,它们不会成为强非辐射复合中心,这被认为是金属卤化钙钛矿的独特特性,是其具有高光电转换效率的主要原因。然而,要进一步... 缺陷在钙钛矿太阳能电池的快速发展中起着至关重要的作用。缺陷容忍性,即金属卤化钙钛矿的主导缺陷是浅能级缺陷,它们不会成为强非辐射复合中心,这被认为是金属卤化钙钛矿的独特特性,是其具有高光电转换效率的主要原因。然而,要进一步提高金属卤化钙钛矿的光电转换效率,就需要消除一些可作为非辐射复合中心并严重影响器件性能的少量深能级缺陷,包括点缺陷、晶界、表面和界面等。本文综述了缺陷容忍的研究进展,包括软声子模式和极化子效应。此外,还总结了缺陷钝化的策略,包括通过阳离子或阴离子来钝化离子键,以及通过路易斯酸或路易斯碱来钝化配位键等。 展开更多
关键词 缺陷容忍 缺陷钝化 钙钛矿 太阳能电池 光电转换效率
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太阳能电池材料缺陷的理论与计算研究 被引量:3
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作者 尹媛 李玲 尹万健 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2020年第17期173-191,共19页
缺陷调控是影响半导体太阳能电池光电转换效率的关键因素.缺陷与掺杂直接决定半导体中载流子的类型、浓度、传输以及光生载流子的非辐射复合.真实半导体中存在的缺陷种类繁多,浓度各异,使得缺陷,特别是单个点缺陷性质的实验表征非常困难... 缺陷调控是影响半导体太阳能电池光电转换效率的关键因素.缺陷与掺杂直接决定半导体中载流子的类型、浓度、传输以及光生载流子的非辐射复合.真实半导体中存在的缺陷种类繁多,浓度各异,使得缺陷,特别是单个点缺陷性质的实验表征非常困难,因而理论与计算在缺陷研究中起到了重要的作用.本文首先介绍了基于第一性原理的缺陷计算方法,然后以典型太阳能电池材料CdTe,Cu(In,Ga)Se2,Cu2ZnSnS(Se)4和CH3NH3PbI3为例,详细介绍了如何从理论计算角度认识和调控太阳能电池材料的缺陷性质. 展开更多
关键词 太阳能电池材料 半导体 缺陷 第一性原理计算
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Machine learning in materials design:Algorithm and application 被引量:1
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作者 宋志龙 陈曦雯 +4 位作者 孟繁斌 程观剑 王陈 孙中体 尹万健 《Chinese Physics B》 SCIE EI CAS CSCD 2020年第11期52-80,共29页
Traditional materials discovery is in ‘trial-and-error’ mode, leading to the issues of low-efficiency, high-cost, and unsustainability in materials design. Meanwhile, numerous experimental and computational trials a... Traditional materials discovery is in ‘trial-and-error’ mode, leading to the issues of low-efficiency, high-cost, and unsustainability in materials design. Meanwhile, numerous experimental and computational trials accumulate enormous quantities of data with multi-dimensionality and complexity, which might bury critical ‘structure–properties’ rules yet unfortunately not well explored. Machine learning(ML), as a burgeoning approach in materials science, may dig out the hidden structure–properties relationship from materials bigdata, therefore, has recently garnered much attention in materials science. In this review, we try to shortly summarize recent research progress in this field, following the ML paradigm:(i) data acquisition →(ii) feature engineering →(iii) algorithm →(iv) ML model →(v) model evaluation →(vi) application. In section of application, we summarize recent work by following the ‘material science tetrahedron’:(i) structure and composition →(ii) property →(iii) synthesis →(iv) characterization, in order to reveal the quantitative structure–property relationship and provide inverse design countermeasures. In addition, the concurrent challenges encompassing data quality and quantity, model interpretability and generalizability, have also been discussed. This review intends to provide a preliminary overview of ML from basic algorithms to applications. 展开更多
关键词 machine learning materials design structure–property relationship active learning
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Designing solar-cell absorber materials through computational high-throughput screening
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作者 江小蔚 尹万健 《Chinese Physics B》 SCIE EI CAS CSCD 2020年第2期1-9,共9页
Although the efficiency of CH3 NH3 PI3 has been refreshed to 25.2%,stability and toxicity remain the main challenges for its applications.The search for novel solar-cell absorbers that are highly stable,non-toxic,inex... Although the efficiency of CH3 NH3 PI3 has been refreshed to 25.2%,stability and toxicity remain the main challenges for its applications.The search for novel solar-cell absorbers that are highly stable,non-toxic,inexpensive,and highly efficient is now a viable research focus.In this review,we summarize our recent research into the high-throughput screening and materials design of solar-cell absorbers,including single perovskites,double perovskites,and materials beyond Perovskites.BazrS3(single perovskite),Ba2 BiNbS6(double perovskite),HgAl2 Se4(spinel),and IrSb3(skutterudite)were discovered to be potential candidates in terms of their high stabilities,appropriate bandgaps,small carrier effective masses,and strong optical absorption. 展开更多
关键词 solar cell HIGH-THROUGHPUT MATERIALS design FIRST-PRINCIPLES CALCULATIONS
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Defect calculations with quasiparticle correction: A revisited study of iodine defects in CH3NH3PbI3
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作者 李玲 尹万健 《Chinese Physics B》 SCIE EI CAS CSCD 2022年第1期511-515,共5页
Defect levels in semiconductor band gaps play a crucial role in functionalized semiconductors for practical applications in optoelectronics;however,first-principle defect calculations based on exchange-correlation fun... Defect levels in semiconductor band gaps play a crucial role in functionalized semiconductors for practical applications in optoelectronics;however,first-principle defect calculations based on exchange-correlation functionals,such as local density approximation,grand gradient approximation(GGA),and hybrid functionals,either underestimate band gaps or misplace defect levels.In this study,we revisited iodine defects in CH_(3)NH_(3)PbI_(3) by combining the accuracy of total energy calculations of GGA and single-electron level calculation of the GW method.The combined approach predicted neutral Im_(i) to be unstable and the transition level of Im_(i)(+1/-1)to be close to the valence band maximum.Therefore,Im_(i) may not be as detrimental as previously reported.Moreover,Vm I may be unstable in the-1 charged state but could still be detrimental owing to the deep transition level of Vm I(+1/0).These results could facilitate the further understanding of the intrinsic point defect and defect passivation observed in CH_(3)NH_(3)PbI_(3). 展开更多
关键词 quasiparticle correction defect calculation GW theory methylammonium lead iodide
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基于图网络和优化算法的晶体结构预测方法的比较 被引量:1
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作者 杨帆 程观剑 尹万健 《Science China Materials》 SCIE EI CAS CSCD 2024年第4期1273-1281,共9页
本文结合数据库、图神经网络和优化算法,构成了预测晶体结构的一种高效方法.考虑到数据库、图网络架构以及优化算法众多的可选方案,我们需要建立一个基准测试方法,用以评估这些不同方法在性能上的差异.在本研究中,我们从材料数据库中筛... 本文结合数据库、图神经网络和优化算法,构成了预测晶体结构的一种高效方法.考虑到数据库、图网络架构以及优化算法众多的可选方案,我们需要建立一个基准测试方法,用以评估这些不同方法在性能上的差异.在本研究中,我们从材料数据库中筛选了100种晶体结构,并建立了一个名为TBCSP的晶体结构预测基准测试,旨在迅速且准确地评估各种晶体结构预测方法的有效性.研究表明,通过结合Materials Project数据库、M3GNet架构和贝叶斯优化算法,可以达到高达40%的预测精度.考虑到训练数据的有限性以及元素和晶体结构的多样性,这一发现为通过适度扩充训练数据以进一步提升准确性展示了一条充满希望的路径. 展开更多
关键词 基准测试 贝叶斯优化算法 数据库 训练数据 神经网络 网络架构 高效方法 可选方案
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基于机器学习探索钙钛矿材料及其应用 被引量:4
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作者 胡扬 张胜利 +4 位作者 周文瀚 刘高豫 徐丽丽 尹万健 曾海波 《硅酸盐学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第2期452-468,共17页
经过大半个世纪的算法模型积累,以数据科学为基础的机器学习方法,已经可以适配多项学科的研究需求。在理论与实验积累的数据基础上,机器学习紧跟各个领域的研究潮流,推动数据密集型科学研究的发展,使其成为继“理论”、“计算”、“实... 经过大半个世纪的算法模型积累,以数据科学为基础的机器学习方法,已经可以适配多项学科的研究需求。在理论与实验积累的数据基础上,机器学习紧跟各个领域的研究潮流,推动数据密集型科学研究的发展,使其成为继“理论”、“计算”、“实验”后引领科学研究的“第四范式”。在材料科学领域,钙钛矿材料具有构成丰富、带隙可调、发展空间广阔等优势,但还未在其适用领域内达到环境友好等实用标准。因而基于机器学习探索钙钛矿材料及其应用,不仅可以加速新型钙钛矿材料的发现,而且可以探究钙钛矿材料种种优异性能与其物理化学特征之间的关联,为发展环境友好型高性能钙钛矿器件提供指导。在此总结了机器学习结合钙钛矿材料的研究优势与研究流程,综述了机器学习在钙钛矿材料性质与器件探索方面的研究进展,探讨了当下面临的研究困境和挑战,展望了未来的研究方向和发展趋势。 展开更多
关键词 钙钛矿材料 机器学习 材料物性 光电器件
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太阳能电池的最终效率探讨 被引量:11
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作者 钱志成 戴晓 +3 位作者 史鹏 尹万健 娄艳辉 邹贵付 《科学通报》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第9期964-970,共7页
太阳能电池利用光伏效应将太阳能直接转换为电能,拥有可再生、清洁、安全、寿命长等优点,被认为是最有前途的可再生能源技术之一.虽然光电转化效率在10%~18%的太阳能电池已经实现大规模产业化应用,但如何进一步提升太阳能电池的光电转... 太阳能电池利用光伏效应将太阳能直接转换为电能,拥有可再生、清洁、安全、寿命长等优点,被认为是最有前途的可再生能源技术之一.虽然光电转化效率在10%~18%的太阳能电池已经实现大规模产业化应用,但如何进一步提升太阳能电池的光电转换效率依然是研究者面临的最重要的挑战.近年来,随着新材料和新技术的不断发展,单结太阳能电池的效率越来越逼近S-Q效率极限;另一方面,随着多结太阳能电池、中间带太阳能电池等新概念太阳能电池的出现,太阳能电池效率纪录在不断地被改写.本文围绕太阳能电池的效率极限,主要讨论了各类单结太阳电池、多结太阳能电池的基本原理和优缺点,分析了限制它们效率进一步提升的主要因素,并展望了新概念太阳能电池的发展与效率极限. 展开更多
关键词 太阳能电池 转换效率 带隙
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机器学习在材料设计方面的研究进展 被引量:10
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作者 孙中体 李珍珠 +3 位作者 程观剑 徐其琛 侯柱锋 尹万健 《科学通报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第32期3270-3275,共6页
新材料的发现是推动现代科学发展与技术革新的源动力之一,是当前促进经济发展与解决环境问题的迫切需求.传统的材料研发基于试错法,效率低且成本高.大量实验与计算模拟产生的数据为新材料的研发提供了新契机.基于这些数据,机器学习最近... 新材料的发现是推动现代科学发展与技术革新的源动力之一,是当前促进经济发展与解决环境问题的迫切需求.传统的材料研发基于试错法,效率低且成本高.大量实验与计算模拟产生的数据为新材料的研发提供了新契机.基于这些数据,机器学习最近在材料性能预测、新材料的发现与设计等领域取得了很大进展.譬如基于材料项目(materials project)数据库对钙钛矿材料的统计分类、结合高通量计算对双钙钛矿卤化物材料稳定性的预测,以及金属间化合物电催化剂的设计与筛选等.除了基于隐式模型的预测,机器学习也可以用来发现具有物理可解释性的显式描述符,从而加速新材料的发现. 展开更多
关键词 机器学习 材料设计 能源转换 描述符
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基于统一品质因子的贝叶斯优化方法加速材料筛选:以卤化物钙钛矿为例 被引量:2
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作者 陈曦雯 王陈 +2 位作者 李珍珠 侯柱峰 尹万健 《Science China Materials》 SCIE EI CSCD 2020年第6期1024-1035,共12页
品质因子在材料筛选和新材料设计中至关重要.比如,根据Shockley-Queisser极限,虽然带隙是筛选光伏材料的重要品质因子,但将带隙作为唯一品质因子却又过于简单,因为理想的太阳能电池吸收材料需要满足多种条件,如高稳定性、高光吸收系数... 品质因子在材料筛选和新材料设计中至关重要.比如,根据Shockley-Queisser极限,虽然带隙是筛选光伏材料的重要品质因子,但将带隙作为唯一品质因子却又过于简单,因为理想的太阳能电池吸收材料需要满足多种条件,如高稳定性、高光吸收系数和长载流子寿命等.然而,同时考虑多种品质因子大大增加了材料筛选的难度.本工作以卤化物钙钛矿为例,将热力学稳定性和带隙结合成一个统一的品质因子,采用贝叶斯优化方法来加速材料筛选.我们发现,与传统的穷举法相比,基于统一品质因子的贝叶斯方法可以更加有效地筛选出目标材料.该工作为从大量材料中搜索出理想的目标材料提供了一个计算成本较低的方法. 展开更多
关键词 DESCRIPTOR machine learning Bayesian optimization DFT calculations
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